Granite River Labs, GRL
Stanislas Charles
選擇合適的物聯網協議就像雕琢理想室內設計一樣——百分之百的完美選項或許不存在，而準確的答案則取決於您的獨特需求。 Thread、Zigbee、藍牙、Wi-Fi、Matter等物聯網協議各有各特性，例如功耗、拓撲結構、通信延遲、可擴展性、互操作性，甚至成本。要為您的運營做出最佳選擇，就必須深入了解不同物聯網協議的特點。
如果您還在為選擇物聯網協議而感到猶豫，本篇內容的分析可以幫你更深入了解各類物聯網的優缺點，它們與疊加在其上的Matter 應用層的交互方式以及與其他聯網設備之間的兼容性。
物聯網協議如何影響功耗和設備適用性
隨著物聯網的迅速普及，由電池供電的傳感器和物聯網設備的使用量與日俱增。因此，對既能提供卓越性能，又能節約電能的物聯網協議的需求也越來越旺盛。物聯網協議的設計會直接影響功耗量，進而對設備性能產生重大影響。因此，根據設備的具體使用情況選擇合適的物聯網協議對於保證最佳性能和延長電池壽命至關重要。
Thread 能量消耗
Thread 是一種低功耗協議，適用於電池驅動的物聯網設備。它使用低佔空比、休眠節點和節能路由等機制來降低功耗量。 Thread 設備可通過優化睡眠週期減少待機狀態的能源使用來延長電池壽命。
Zigbee 能量消耗
Zigbee 也是低功耗運行的協議。但由於其軟件棧比 Thread 大，能量消耗也會偏多。 Zigbee 主要用於使用電池供電的設備，通過低佔空比和睡眠模式以及高效網絡路由以延長電池壽命。通過正確的設計和應用，工程師也可以優化 Zigbee 較高的功耗量。
Wi-Fi 能量消耗
與 Thread 或 Zigbee 等低功耗物聯網相比，Wi-Fi 是相對高功耗的協議。這是因為 Wi-Fi 設備需要通過更頻繁的通信和主動連接來傳輸數據。不過，Wi-Fi 協議的節能模式（PSM）等省電功能有助於優化 Wi-Fi 設備的功耗。
藍牙能量消耗
藍牙，尤其是低功耗藍牙（BLE），旨在實現高能效並適用於低功耗物聯網應用。 BLE 設備利用睡眠模式、高效數據傳輸和低功耗狀態節約電能消耗。藍牙的可擴展性以及低功耗特點使它成為依賴短距離連接的電池驅動物聯網設備的熱門選擇。
物聯網拓撲結構如何影響數據流量
物聯網拓撲是指不同節點設備和通信介質在物聯網網絡中的連接方式。拓撲結構影響流量、可擴展性、功耗等眾多因素，甚至可以決定惡意軟件能不能侵入您的網絡。因此，了解各種類型的拓撲結構及其運作方式對於部署和維護網絡至關重要。
Thread 和 Zigbee 的網狀網絡拓撲
Thread 和 Zigbee 利用的網狀網絡拓撲以非等級方式於節點設備之間進行連接。這樣，節點設備不僅能接收數據，還能作為中介向其他節點設備進行傳輸。因此，網狀網絡拓撲協議可建立覆蓋範圍廣泛的高可靠網絡。這樣就不需要像其他無線協議使用額外的中繼器來向更遠的節點設備轉播無線信號。
Wi-Fi 的星型拓撲結構
在 Wi-Fi 採用的星型拓撲結構，所有節點設備都連接到中央交換機或路由器，中央交換機或路由器就執行如服務器的角色，而節點設備就像客戶端。當中心節點收到來自節點設備的數據包時，它可以將收到的數據包傳遞給網絡中的其他節點設備。雖然星型拓撲結構相對不固定，維護成本高，但其集中式設計使其便於使用。即使一個設備或電纜產生故障，也能繼續運行。
Matter 的混合拓撲結構
Matter 在 Thread 的網狀網絡拓撲和 Wi-Fi 的星形拓撲之上運行，並結合了兩種物聯網架構。 Matter 網絡用戶可通過 Thread 邊界路由器創建混合網絡並享受兩種拓撲類型的優勢。
圖 1：Matter 物聯網網絡拓撲
常見物聯網協議的範圍和數據速率
對於大多數智能家居用例，Zigbee、Thread、藍牙和 Wi-Fi 等流行的物聯網協議所提供的工作距離足以滿足一般家庭環境的中短距離要求。這些網絡甚至可以穿透樓層，有效地進行通信。雖然環境因素會影響絕對網絡範圍，但這不會對傳輸數據量較少的多數家庭形成問題。換句話說，所有的主流物聯網協議足夠用於控制智能設備、監控傳感器和管理家庭自動化系統。
圖 2：Wi-Fi、藍牙、Zigbee 和 Thread 之間的數據速率和工作距離比較圖
常見物聯網協議的信號延遲性
Silicon Labs 比較了 24 種家用設備在網狀網絡藍牙、Thread 和 Zigbee 的連接性並給出了基準。根據該基準，Thread 在小型和中等負載下表現最佳，具有較小的峰值和較小的轉播時間（<100ms）。對於小量負載，三個網絡的傳播時間均為 90 毫秒，遠低於 200 毫秒的市場目標。對於中等負載，Zigbee 表現則最好，大多數數據包接收延遲為 80 毫秒，傳播時間高達 130 毫秒。藍牙傳輸的延遲則展現出最大的差異範圍，為 20 到 200 毫秒。
圖 3：Zigbee、Thread 和藍牙多播延遲 24 節點網絡 – 小量負載
圖 4：Zigbee、Thread 和藍牙多播延遲 24 節點網絡 – 中量負載
原文: Silicon Labs
各種物聯網協議的擴展性
可擴展性是安裝物聯網網絡的首要考慮因素之一。除了工作距離之外，真正有效的擴展必須具備安全、有效地蜂窩覆蓋範圍以及設備連接可靠性。此外，網絡的靈活性是另一個關鍵因素，無論是在擴大網絡規模時還是在縮小規模時，都需要預見到可能出現的挑戰。
Thread 網狀網絡
Thread 的網狀網絡結構優點在於可擴展性。通過允許節點設備充當中繼，可以輕鬆擴展網絡覆蓋範圍。 Thread網絡可以容納多達數百甚至數千個節點設備，使其適合大規模物聯網部署。
Zigbee
Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 無線網狀協議，該協議的主要特點同樣為可擴展性，因此也適用於部署大量設備。和 Thread 相同，Zigbee 的網狀網絡功能和高效協議讓它支持容納數百千台節點設備。
Wi-Fi
Wi-Fi 網絡因基礎設施的廣泛可用性具有較高的可擴展性，所以經常部署於家庭環境中。但是，Wi-Fi 必須通過額外的接入點或其他 Wi-Fi 網狀網絡選項來擴展其網絡才能處理大量設備。此外，Wi-Fi 網絡平均會比 Zigbee 和 Thread 消耗更多電量。
藍牙
藍牙和低功耗藍牙（BLE）在連接大量設備進行大規模部署方面存在一定的限制。這並不代表藍牙沒有支持多設備連接的潛力。但是，想要充分發揮藍牙技術的最佳應用還是將藍牙網絡的連接限制在數量較少的個人手機、傳感器、配件等近距離設備之間。
物聯網兼容性
物聯網互操作性是指不同系統之間傳輸有意義且可操作的信息能力。要實現真正的互操作性，物聯網網絡必須具備用於傳輸數據的物理通信基礎設施（技術互操作性）、用於共享特定類型數據的共享語法（語法互操作性）以及用於解釋傳輸數據的物聯網語義部署。
Thread
Thread 旨在為所有 Thread 認證設備提供通用的連接和通信協議，實現 Thread 網絡內設備之間的互操作性。然而，實現與 Thread 生態系統之外的設備的互操作性往往需要額外的網關。
Zigbee
與 Thread 類似，Zigbee 網絡允許 Zigbee 認證的設備在網絡內協同工作。認證是根據 Zigbee 規範的遵守情況頒發。歸根結底，Thread 和 Zigbee 網絡的可行性還要取決於各自生態系統的市場滲透率以及終端消費者所需的支持設備類型。
Wi-Fi
Wi-Fi 擁有最廣泛的互操作性，適用於多種設備和各種製造商的需求。符合 Wi-Fi 標準的所有產品，即使來自不同製造商，也能夠保持互操作性。這也為智能手機、電腦和其他物聯網設備創造了一個高度兼容的 Wi-Fi 生態系統。
藍牙
藍牙對短距離設備連接具有出色的互操作性支持。藍牙設備（包括智能手機、平板電腦、音頻設備和物聯網設備）普遍可以不分製造商而通過藍牙網絡相互通信。藍牙的標準化配置文件和協議可確保各種用例的互操作性，例如音頻流、文件傳輸和設備控制。
Matter
Matter 是相對較新的物聯網協議，旨在通過結合 Thread、Wi-Fi 和以太網等底層技術的優點來增強智能家居設備之間的互操作性。來自不同製造商的 Matter 認證設備可以使用 Matter 通用應用層相互通信，而不受底層網絡協議的限制。
物聯網網絡部署的成本考慮
物聯網（IoT）網絡的定製過程可能佔據高達整體成本的70-80%。因此，充分了解構建各種物聯網網絡的架構特點尤為重要。通過選擇對正確的物聯網網絡基礎，消費者可以在定制物聯網網絡方面節省大量的時間和資源。
Thread
作為一種低功耗、低數據速率協議，Thread 可以使用相對便宜的硬件組件來實現。同時，Thread 在 2.4 GHz 頻段上運行，該頻段受到經濟型無線電模塊的廣泛支持，因此也進一步降低了設計成本。然而，支持 Thread 的設備本身的成本可能會根據特定的硬件要求和所需的功能而有所不同。此外，還應考慮與 Thread 認證相關的額外許可費用，這些費用通常通過 Thread Group 會員資格進行管理。
Zigbee
Zigbee 的低成本應用使得其協議成為如今最流行的物聯網網絡之一。支持 Zigbee 的硬件組件隨處可見且對便宜。除了 Thread 使用的 2.4Ghz 頻段外，Zigbee 還使用廉價無線模塊中常見的 sub-GHz 頻段。 Zigbee 部署的總體成本可能因設備數量、網絡基礎設施要求以及所需的任何附加功能或認證而異。
Wi-Fi
作為被廣泛採用的協議，Wi-Fi 可提供多種價位的硬件選項。由於製造商之間的競爭，Wi-Fi 模塊和芯片通常價格實惠。然而，Wi-Fi 部署的成本同樣會受到以下因素受接入點數量、網絡基礎設施要求以及與某些 Wi-Fi 功能或認證相關的潛在許可費用等因素受影響。
藍牙
除了 Wi-Fi，藍牙也是支持多種低成本硬件選項的網絡，是許多物聯網應用者的經濟高效選擇。由於應用廣泛，藍牙模塊和芯片通常價格實惠。藍牙部署的總體成本可能會根據設備數量、集成要求以及所需的任何附加功能而有所不同。
物聯網網絡認證和會員費
除了部署成本之外，計算物聯網部署成本時也必須考慮到會員費和認證費。費用摘要如下表：
*請注意，上面列出的費用不包括與測試或第三方服務相關的費用（例如藍牙人認證專家支持費）
了解當今連接環境中的物聯網協議要求
總之，了解 Zigbee，藍牙，Thread，Wi-Fi，Matter 等物聯網協議之間的差異，對於駕駛不斷發展的智能設備和互聯繫統至關重要。 Zigbee，藍牙，Thread 和Wi-Fi 等協議由來已久，各自具備獨特的優勢和專長：Zigbee 擅長於低功耗、網狀網絡應用；而藍牙則為短距離個人設備提供了無縫連接；Thread提供了強大且安全的通信；而Wi-Fi 則提供高數據傳輸速率和更廣泛的設備兼容性。
隨著基於 Thread 和其他技術為基礎的 Matter 技術的來臨，物聯網領域呈現出更加廣闊的發展前景。 Matter 的目標在於簡化互操作性、設備集成，並增強智能家居生態系統。通過整合現有的協議（如 Thread 和 Wi-Fi），Matter 正努力彌合不同製造商設備之間的差異，為用戶提供統一、無縫的使用體驗。
諮詢工程專家，選擇最佳的物聯網協議
自2010年初創立以來，作為高速信號傳輸測試界的領導者，GRL 為眾多的產品開發設計者提供了高速傳輸接口測試和認證，並提供專業的解決方案。若您對物聯網協議或其他連接技術有任何疑問，隨時歡迎您聯繫我們。
關於作者
Stanislas Charles
Charles 擁有超過 7 年的無線和 RF 測試經驗，熟悉藍牙、Zigbee、Thread、Matter 等協議。致力於幫助客戶解決對 Matter 和 Thread 測試及認證要求的疑問。
